基于TE505的動態(tài)無功補償系統(tǒng)

　　引言

　　電力已經(jīng)成為現(xiàn)代社會不可或缺的能源。社會越發(fā)展，對電力的需求越強烈。由于建造發(fā)電廠需要巨額投資，而且會給環(huán)境帶來不小的污染。因此，采用電力電子技術高效地利用已有的電力資源，實現(xiàn)降低損耗和擴大容量是電力可持續(xù)發(fā)展之道。研究和實際運行的經(jīng)驗表明：采用動態(tài)無功補償系統(tǒng)可大大提高現(xiàn)有電網(wǎng)的傳輸能力，大幅度降低電網(wǎng)損耗，從而節(jié)約了建造電廠的投資。

　　本文提出以Triscend公司的可配置的片上系統(tǒng)(CSoC，Configurable System on Chip)芯片TE505為核心，配合外圍的AD采樣電路，無功補償裝置的投切電路，脈沖寬度調(diào)節(jié)電路，顯示模塊以及鍵盤模塊，通過軟件編程方式來實現(xiàn)核心部分的數(shù)據(jù)計算，控制算法以及保護邏輯，用硬件來實現(xiàn)系統(tǒng)的外圍功能，以實現(xiàn)對電網(wǎng)線路的無功補償，提高功率因數(shù)。

　　無功的介紹及無功補償裝置

　　電力網(wǎng)絡除了供給用戶有功負荷之外，還要供給用戶以無功的負荷。用戶的用電設備都有電感和電容存在，所謂無功負荷，則是為了維護電源和電設備的電感和電容之間磁場和電場振蕩所需的能量。因此，只要電力系統(tǒng)已經(jīng)形成，該能量則是不可避免的。無功分電感性和電容性兩種。感性無功是電力母線上電壓相位超前電流相位造成的，而容性的無功正好相反。為了電網(wǎng)的穩(wěn)定和提高電器設備的壽命，應該盡量使電力線路上存在的無功盡量小。功率因數(shù)是電網(wǎng)提供的有功功率與提供的總功率的比值。而總功率是由有功功率和無功功率共同組成的。若無功功率降低，則系統(tǒng)功率因數(shù)就會提高。

　　目前真正實用的動態(tài)無功補償方案主要還是靜止無功補償裝置(SVC，Static Var Compensator)。自上世紀80年代以來，傳統(tǒng)靜止無功補償裝置經(jīng)過長足的發(fā)展，成為了主要的動態(tài)無功補償裝置，解決了大量的動態(tài)無功補償問題。但是在應用于6KV以上的高壓系統(tǒng)時，還是無法克服幾個裝置本身所固有的缺陷：可靠性低、諧波污染大，維護費用高等。隨著控制技術的不斷發(fā)展和對電抗器工藝與結構的突破性改進，在克服了傳統(tǒng)飽和電抗器響應速度慢、損耗大、噪音大、諧波大等缺點之后，一種基于磁閥式飽和電抗器(MCR)的新型靜止無功補償裝置在具備了響應速度快的特點的同時，克服了傳統(tǒng)靜止無功補償裝置的上述諸多缺陷。本系統(tǒng)采用這種新型的無功補償裝置，該裝置由磁閥式飽和電抗器和電容構成，并聯(lián)到電網(wǎng)母線上。

　　無功補償系統(tǒng)控制方法

　　該無功補償系統(tǒng)連接在變電站的低電壓側，實時采樣電網(wǎng)母線上電壓值和電流值，通過瞬時無功理論計算電網(wǎng)線路上當前時刻的無功。計算出當前的無功后與用戶設置的目標無功值進行比較，如果在用戶設置的范圍內(nèi)，系統(tǒng)不進行任何操作。若當前無功超出用戶設置的目標無功值范圍，該系統(tǒng)就會在條件滿足時將無功補償裝置和電網(wǎng)母線連接的開關閉合，從而實現(xiàn)對電網(wǎng)動態(tài)無功補償。

　　無功補償系統(tǒng)的硬件平臺

　　如圖1所示。AD通過TE505的配置，循環(huán)采樣電網(wǎng)母線上的電壓值和電流值以及無功補償裝置的電流。測量電網(wǎng)母線上的電壓和電流是為了計算系統(tǒng)當前的有功和無功。測量補償裝置的電流值是為當裝置上的電流有效值大于用戶設置的保護值時，要切斷無功補償裝置和母線的連接以保護無功補償裝置。用戶可以通過鍵盤輸入無功的目標值，無功補償裝置的電流保護值等一些系統(tǒng)參數(shù)以滿足實際的需要。EEPROM負責存儲用戶設置的參數(shù)，以便每次上電后保持上次的設置。LCD負責顯示當前系統(tǒng)的有功、無功等信息，也可以顯示用戶設置的參數(shù)值。TE505可以通過控制投切開關來控制電容和MCR與電網(wǎng)母線相連。而MCR的電感量的大小可以通過TE505發(fā)送的脈沖寬度調(diào)制信號(PWM，Pulse Width Modulation)來設置。

　　TE505的介紹

　　TE505是可配置微控制器，它在一個器件上集成了一個增強性能的加速8051嵌入式微控制器,一個大小為16KB的SRAM塊,一個高速的專用系統(tǒng)總線以及緊密連接在處理器和系統(tǒng)總線上的可配置邏輯。TE505針對嵌入式系統(tǒng)應用進行了優(yōu)化的高度集成,全靜態(tài)單芯片系統(tǒng)。TE505內(nèi)部的增強型8051微控制器的指令周期是4個時鐘周期。可以快速完成大量的計算。TE505片內(nèi)的RAM值可以配置到相應的管腳作為輸出。

　　顯示模塊

　　無功補償系統(tǒng)中使用一個可以顯示128×64點陣的字符型LCD來顯示菜單和用戶設置的數(shù)據(jù)以及當前系統(tǒng)狀態(tài)信息。LCD的數(shù)據(jù)總線、讀寫信號線、A0，直接與TE505相應的信號線連接。片選信號CS1，CS2和一根控制線相連。這樣TE505就可以通過訪問相應的地址對LCD進行控制。

　　鍵盤控制

　　為了方便操作鍵盤共有6個鍵。上、下、左、右、確定，取消。在菜單選擇頁面，上，下鍵可以選擇相應的菜單，確定鍵用于進入有子頁面的菜單選項，取消鍵用于退出。在數(shù)據(jù)修改頁面，上，下鍵用于增加和減少光標所在數(shù)據(jù)位的值，左，右鍵用于移動光標到數(shù)據(jù)要修改的位。

　　存儲模塊

　　為了存儲用戶設置的參數(shù)，該系統(tǒng)采用Microchip的EEPROM，型號為93AA66A，大小4kbit。這樣在掉電后重新啟動時可以自動從EEPROM中將上次用戶設置的參數(shù)讀出來，供無功補償系統(tǒng)計算使用。

　　無功補償裝置模塊

　　無功補償裝置由磁閥式飽和電抗器(MCR)和電容組成，并聯(lián)到電網(wǎng)母線上。連接方式如圖2所示。

　　無功補償系統(tǒng)的軟件設計流程

　　TE505的軟件開發(fā)，使用Triscend公司提供的軟件FastChip。

　　首先在開發(fā)工具FastChip中選擇目標芯片，本系統(tǒng)選擇TE505下的TE505S16-40L。選擇好目標芯片后，要對芯片內(nèi)部一些如定時器，看門狗等基本功能單元進行配置。如圖3所示。雙擊要配置的功能單元就可以在出現(xiàn)的對話框中進行參數(shù)設置。根據(jù)系統(tǒng)的實際需要，這里選擇定時器1和看門狗。通過配置定時器1約0.33ms產(chǎn)生1次中斷以啟動AD采樣電網(wǎng)母線上的電壓和電流值?？撮T狗設置為約1.6s‘喂’一次。



　　完成目標芯片的選擇和內(nèi)部基本功能單元配置后，建立要用的寄存器和相應的輸入，輸出模塊，如圖4所示。左面是一些可以選的資源。選中需要的資源后，拖到右面的框中，就完成了添加。最重要的是該工具能把用邏輯綜合工具(如Synplify)生成的網(wǎng)表文件導入，使芯片具有邏輯可編程功能。在設置好相應寄存器后可以點擊generate鍵， FastChip自動給要用的寄存器分配地址，并生成相應的頭文件。以及用于T E505初始化的C語言文件。生成文件后，進入芯片管腳分配界面將要輸出的寄存器的各個位連接到芯片的可用的管腳上，如圖5所示。分配主要根據(jù)印刷電路板上的連接。在完成好以上兩步設置后就可以對芯片進行綁定了。點擊bind按鈕進行綁定。綁定時還可以對綁定的效果和綁定消耗的時間進行選擇。注意由于軟件破解的問題，以上過程要在英文環(huán)境下進行。

　　在對芯片內(nèi)除微控制器以外的資源進行設計完后，開始對TE505的基于51內(nèi)核的控制器進行編程。本系統(tǒng)使用Keil uVision2工具，采用C語言編程。在Keil uVision2中建立工程選擇目標芯片時，選擇Triscend公司的TE505。然后把FastChip生成的頭文件和芯片初始化文件加入工程，在主程序中要調(diào)用芯片初始化文件中的對芯片初始化的函數(shù)，以完成對芯片的初始設置。初始化后再根據(jù)工程的需要編寫代碼。編寫好代碼后可以用Keil uVision2進行仿真和調(diào)試，具體用法請參考Keil uVision2使用的相關文檔。將代碼用Keil uVision2編譯，鏈接生成hex文件后，要啟動Triscend公司提供的軟件Device link進行下載。啟動Device link后要根據(jù)實際情況進行配置。主要是時鐘源的選擇和Flash型號的選擇。下載時最好停止CPU運行，這樣可以減少對程序下載的干擾。


　　
　　結語

　　現(xiàn)場測試表明，TE505內(nèi)部增強型8051控制器運行時鐘快，指令周期短，很好的完成了計算無功的工作，達到了實時處理的效果，實現(xiàn)了對無功的動態(tài)補償。而且TE505將可編程邏輯資源和微控制器集成到一個芯片中，避免了用單片機配合FPGA(Field Programmable Gate Array,現(xiàn)場可編程邏輯門陣列)來完成對輸出數(shù)據(jù)時序的要求。這樣不但減少了系統(tǒng)所需的芯片數(shù)量，降低了成本。還將控制器和可編程邏輯資源之間的連接信號由芯片外放到芯片內(nèi)，增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。

　　參考文獻：

　　1．王志泳，徐雪連 ，MCR型動態(tài)無功補償裝置設計手冊，北京三得普華科技有限公司，2003

　　2．王兆安，楊君，諧波分析和無功功率補償，機械工業(yè)出版社，1998

　　3．TE505 Configurable System-on-Chip Platform，2004

　　4．4K Microwire Compatible Serial EEPROM，Microchip,2003

　　5．8-CHANNEL 10-BIT 1.25-MSPS SERIAL ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER，Texas Instrument,1998

　　6．HD61202 液晶顯示控制驅(qū)動器的應用，譽信電子公司